岸坡崩塌条件下弯道环流与水流剪切力的变化特征

舒安平，周　星，余明辉，段国胜，朱福杨

（1.北京师范大学 环境学院 水沙科学教育部重点实验室，北京　100875；2.北京市水科学技术研究院，北京　100048；3.武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉　430072）

1　研究背景

在河道水流与河岸边坡交互作用下，水流冲刷侵蚀河岸导致河岸边坡失稳的过程称为岸坡崩塌，即崩岸［1］。我国七大江河普遍存在不同程度的塌岸现象［2］，以长江和黄河最为典型，其中黄河宁蒙（宁夏至内蒙古）河段是黄河泥沙的主要来源区之一，也是黄河泥沙问题研究的重点河段。Yao［3］等通过遥感解译方法研究了宁夏至内蒙河段的岸坡崩塌面积，青铜峡至头道拐河段1958—2008年的岸坡崩塌面积高达518.38 km2，其中左岸崩塌面积257.29 km2，右岸崩塌面积261.09 km2，是世界河流中侵蚀最严重的河段。宁蒙河段河道摆动剧烈，河岸崩塌侵蚀现象严重。河岸崩塌机理十分复杂，影响因素多，其中河岸边界特性及土壤地质结构、水流条件和河床冲淤、演变特性等在河岸崩塌发生过程中起到了重要的作用［4］。大量统计资料表明，崩岸现象多发生于受水流剧烈冲刷的河岸，例如在长江中下游，80%以上的崩岸发生在弯道顶点或迎流顶冲点；在黄河河段，汛期水流集中且主槽内流速很大，岸坡冲刷十分严重，水流的冲刷侵蚀在崩岸过程中同样起到重要作用。

国内外有不少学者针对不同的河岸崩塌的水力要素，如近岸流、纵向水流、弯道环流、回流掏刷、高水位持续时间等进行了研究，取得了较为丰硕的成果［5-7］。龙慧等［8］归纳总结了荆江崩岸分布特征，并分析了水动力因子（纵向水流变化、横向环流及水流动力轴线变化）对崩岸的影响。张芳枝等［9］概括国内外近岸水流冲刷力的分布与计算、堤岸土体抗冲力确定、河岸土体横向冲刷计算方法等研究成果并提出在天然河道利用比降计算近岸水流切应力。钱宁等［10］根据纵向流速的垂向分布计算近岸剪切力。唐存本［11］将颗粒重力、黏结力以及水流上举力和拖曳力统一考虑，根据力的平衡方程式得出黏性土的起动剪切力公式，并考虑了黏性土固结程度的影响。彭玉明等［12］通过分析长江荆江河道演变过程，归纳总结出河道演变与崩岸之间的关系，认为河道演变过程中主流线的变化、河道冲刷对崩岸产生主要影响。水流的紊动和涡旋也对崩岸有显著影响。Papanicolaou等［13］发现二次流下的水深平均切应力为顺直河道中切应力的两倍以上，最大值为水深平均切应力的5倍，增大水深平均边壁切应力2倍以上。

另一方面，目前在水动力因子对岸坡崩塌过程数值模拟方面也取得了一定的进展，王国卿［14］通过平面二维水沙数学模型和河岸稳定性模型，采用有限元法和利用Fortran编程语言对河流的弯曲演变进行数值模拟。钟德钰等［15］在考虑环流横向输沙及由其引起的河床冲淤和河岸变形的情况下，建立了平面二维水沙数学模型，模拟了弯道的发生和发展过程。刘海飞［16］基于Boltzmann方法分别模拟了顺直和弯道水沙输移过程，发现弯曲河道凸岸堆积，凹岸冲刷的变化趋势，Sahoo等［17］应用Dynamic流域模拟模型与岸坡侵蚀（DWSM BE）对约旦河塌岸进行计算，模拟和量化塌岸量占约旦河流域下游淤积量的百分比；但是物理模型实验是解决三维性较强的水流、泥沙问题，反演或预测河道变形的一种不可或缺的手段。尤其在崩岸问题研究中，由于涉及较为复杂的边界条件和水力条件，再加上人们对于崩岸发生机理尚不太清楚，用数学模型进行求解存在一定的困难。因此，通过模型实验进行观测研究，再现天然河道的崩岸过程，不失为一个好办法，但前人在这方面的研究开展的相对较少：余明辉等［18］通过弯道水槽试验归纳研究了非黏性土组成岸坡的崩退模式；胡呈维等［19］通过弯道水槽实验确定黏性岸坡崩塌量小于非黏性岸坡崩塌量，这些成果无疑有助于我们对河岸崩塌形成机理的认识。

本文通过实施在弯道水槽中的8组模拟实验，采用黄河上游宁蒙河段的磴口黏性河段为实验用沙制作岸坡模型，通过改变模拟材料的组成及水流边界条件，观测水流冲刷下黏性岸坡崩塌过程、崩塌体的分解和输移过程以及崩后稳定岸坡和河床的形态，着重研究弯曲型河道不同水沙关键因子组合条件下岸坡崩塌过程的水动力变化规律，治理对河岸崩塌具有重要的现实意义。

图1　断面流速测量点布置图

2　水槽实验概况

2.1实验装置实验是在武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室内净宽为1.2 m、弯道内径为1.8 m、底坡比降为1‰弯道水槽中进行的。岸坡沿程布置14个流速监测断面，位置布置如图1所示，岸高40 cm，河床高10 cm，坡脚为45°，每个断面上河床上横向布置4条垂直测线，岸坡上尽可能多的布置垂直测线，每条测线根据水深确定纵向的测点个数，断面初始形态及断面流速测量点的布置如图2所示。实验分为固定岸坡固定河床和活动岸坡活动河床两种情况来分别研究，动床动岸使用泥沙来铺砌，定床定岸的河床和岸坡由水泥铺砌固定。为了研究岸坡崩塌后崩塌体周围的流速分布和受力情况，在固定岸坡固定河床的弯道出口段（即断面4—断面6，以下同）岸坡坡脚处增设崩塌体，崩塌体底部宽10 cm，高5 cm，横跨CS4—CS6断面，在崩塌体上游、下游以及临水面流速加密监测，用于计算崩塌体周围的剪切应力，有崩塌体的横断面形态如图3所示。

图2　断面形态及流速测量点布置

图3　断面监测点布置图（增加崩塌体）

2.2实验条件本次实验共进行了3组河床及岸坡边界条件，即可动河床可动岸坡和固定河床固定岸坡，其中固定河床固定岸坡又分为有崩塌体和无崩塌体两种。上述3种河床及岸坡边界条件下，均施放不同动水流量，具体分组如下表所示，根据不同的河床边界条件与流量，可以组合成8种工况，详见表1。

表1　实验工况

其中工况3为黏性岸坡、非黏性河床，为研究黄河中游宁蒙河道岸坡崩塌情况，以黄河中游宁蒙河段磴口河段河岸天然土黏性土为实验材料，其始级配见图4，土样中值粒径约为0.032 mm。水槽底部铺设非黏性土白矾石和粗砂砾大颗粒混合材料模拟可动河床，以便观测岸坡崩塌进入河道后与河床的掺混情况，岸坡和河床的粒径相差较大，比便于区分。模型制作时尽可能保证材料含水率和紧实度偏差较小，模型首尾用碎石延伸，即保护了头尾岸坡不受涡流的淘刷又保证流平顺。对于黏性岸坡，每次实验开始前，用Φ61.8×20 mm的不锈钢环刀于模型岸坡上取好土样，进行快剪实验和土样烘干，测定土样的c、φ值以及含水率以及孔隙率。表2为实验材料的物理性质。

图4　黏性岸坡初始颗粒级配

表2　实验材料的物理性质

2.3实验流程及测量方法（1）关闭水槽尾门，从水槽的下游注水，当水位缓缓上升到12 cm时停止注水，对岸坡及河床土体浸泡10 min。（2）动床动岸时，实验开始前对制作好的模型土体的监测断面的坡脚和坡顶处取样，对实验前岸坡土样的容重、含水率、级配等进行测量计算。（3）放水至河槽水位到达24 cm左右时，调节尾门保证额定流量下水位稳定。（4）当水流流态稳定后，利用ADV流速仪沿断面垂线测量流速。断面上垂线间距为20 cm。岸坡和崩塌体上的垂线流速监测点加密测量，进行实验组次3时，利用地形仪监测地形变化情况。（5）每隔15 min，记录一次平底堰处水位读数，再继续拍照、录像。（6）冲刷时间结束后，逐渐调小流量，避免水位突然下降引起岸坡再次崩坍，放干水槽中的水，对冲刷后的岸坡形态进行拍照记录和对比分析，在监测断面用透明网格板测量断面的形态及河道泥沙淤积状态。

3　岸坡崩塌过程中弯道环流分布特征

3.1弯道环流的流态无论是定岸定床还是动岸动床流态分布情况大致相同，小流量时水流流态整体较为平顺，从CS1断面进入弯道后主流紧贴河道凹岸（右岸），在CS8断面主流逐渐回归河道中央，同一断面上凹岸水深大于凸岸，表现出明显的弯道水流特性。当流量较大时，凹岸部位表现突出，与此同时，岸坡边缘水流紊动强烈，水位发生突变，同一断面存在较大的水位差。

图5　工况3-2下的水面线（Q=30 L/s）

工况3-2水面线见图5，由水面线可以看出，水流进入弯道后，呈现凹岸水位高于凸岸水位的现象，在弯道顶端与弯道中下段的中间位置水位差达到最大，弯道水流特性表现得最为明显。当水流进入直道段的时候，水位差变小，超过一定范围的时候，凸岸水位变得高于凹岸水位。

3.2纵向流速分布工况3-2的弯道纵向流速分布如图6所示。结合岸坡侵蚀线可以看出，不论是表层中层还是底层，近岸流速较大区域与岸坡崩塌严重区域基本重合，主流从CS+1断面进去弯道后，逐渐向凹岸靠近，在CS5—CS6断面近岸流速达到最大，并紧密贴合岸坡，此处岸坡崩塌最为严重。随后主流逐渐回到水槽中央。速度分布图与实验中观察到的弯道下段即弯道出口处附近岸坡崩塌最为严重情况相符合，顺直段岸坡崩塌不严重。此外，表层及中层主流近岸程度大于底层，且表层流速最大，底层流速最小。

3.3横向环流流速分布弯道段水流具有明显的三维特性，环流是横向输沙的主要动力因素。弯道环流使表层较清的水体流向凹岸，底层含沙量较大的水流流向凸岸，造成凹岸冲刷，岸坡变陡发生崩岸，冲刷后的河岸边坡形状表现为抛物线，工况1-2横断面流场如图7所示。

4　岸坡崩塌体附近剪切力分布特征

为分析崩塌过程中水流剪切力的分布特点，固定岸坡固定河床工况情景时在弯道中下段岸坡坡脚处增设崩塌体，主要关注崩塌体进入河道后的水流变化情况及崩塌体的受力情况。

4.1水流剪切力计算方法自然中的流动大多数都是紊流。紊流流动的实际流速为时均流速与脉动流速之和。当利用时均流场代替紊动瞬时流场时，需要在原来的黏性切应力上加上紊流附加切应力，这是紊流的涡体在各流层之间传递能力、动量的结果［20］。

黏性切应力：

紊流附加切应力：

图6　工况3-2弯道纵向流速图（Q=30 L/s）

图7　工况1-2横断面流场图（Q=55 L/s）

总水流剪切力为黏性切应力上与紊流附加切应力之和，即：式中：μ为黏度；为时均流速；u′为脉动流速。

图8为一风洞的矩形断面上测得的黏性切应力和紊流附加切应力的分布，H为断面高。从图中可以看出，断面上的切应力为线性分布，在壁面上切应力最大，且全部为黏性切应力，近壁处紊动弱；随着y增加，紊流附加切应力的比重增大，当y增加到一定值时全部为紊流附加切应力，距壁较远处紊动充分发展。

依据以上方法，利用ADV的实测数据根据公式（3）计算水流剪切力，并绘制黏性切应力和紊流附加切应力的横向变化曲线，图9为某一点x、y方向的剪切力的计算过程。

图8　黏性切应力和紊流附加切应力的横向变化

图9　剪切力计算过程

4.2崩塌体附近床面剪切力分布特性图10中的剪切力的分布表明：在靠近凸岸边壁和岸坡附近，剪切力值较大，且岸坡附近剪切力的方向杂乱，说明岸坡附近水流紊乱，对岸坡的扰动剧烈，水流作用力大，所以从流速分布和水流剪切力分布图印证了弯道水槽的输沙特性：一方面由于弯道环流，弯道表层较清的水流向凹岸，造成凹岸冲刷；从凹岸向下转向凸岸的底层流携带大量泥沙，造成凸岸淤积，这种作用致使主流不断向下游凹岸偏移。另一方面，坡脚处的剪切力较大，对于坡脚扰动较大，加快凹岸的冲刷。岸坡崩塌后，崩塌体会堆积在坡脚处或者靠近岸坡的河床上，为研究崩塌体的对水流作用的影响，在弯道出口附近增设崩塌体。以55 L/s流量下的平面流速为例，如图11。铺设崩塌体后，流场整体趋势基本不变，崩塌体头尾处流速较大，且头部指向崩塌体，对于崩塌体具有强烈的扰动。

图10　剪切力分布图

铺设崩塌体后弯道处的横向环流作用依旧明显，这一特点可以直接从崩塌体的横断面流速分布图12中看出，在CS4—CS6断面可以清楚地看出横断面的环流作用，尤其是崩塌体表面的指向凸岸的流速可对崩塌体产生扰动，并且横向分解崩塌体，是崩塌体在河床上横向分解，分解后的泥沙移动到凸岸。

图11　弯道纵向流速图（Q=55 L/s）

由图13中的剪切力的分布可以发现，在靠近凸岸边壁和岸坡附近，剪切力值较大，且岸坡附近剪切力的方向杂乱，说明岸坡附近水流紊乱，对岸坡的扰动剧烈，水流作用力大。增设崩塌体后，弯道顶冲点以下凹岸一侧的较大剪切力区位置均有所下移。崩塌体临水面周围紊动强烈，其临水面尤其上下游端附近易形成较大剪切力区，增加了该区域河床的局部输沙能力。从崩塌体局部剪切力图中可以看到，崩塌体头尾部的剪切力突增，增大了对崩塌体的扰动，加快崩塌体的分解。

图12　横断面流场图（Q=55 L/s）

4.3不同流量条件下的水流剪切力对比分析通过图14和图15对比30 L/s和55 L/s不同流量下水流剪切力分布，可以发现其分布趋势均相同：从+1#断面开始进入弯道后的一定距离，凸岸附近的水流剪切力增加，凹岸附近的水流剪切力则减小；至弯道段后，出现相反的调整，水流剪切力趋于均匀分布；进去弯道出口段后，高剪切力逐渐移向凹岸，水流出弯道后，凹岸的剪切力沿程减小而凸岸的剪切力沿程增加。经过一段距离后，剪切力沿断面的分布将趋于正常分布，所以弯道出口段岸坡破坏最大。但两个流量下剪切力大小不同，可以很明显的观察出，剪切力随流量的增大而增大，所以岸坡在大流量下的破坏表现更为突出。

通过图14和图15对比有崩塌体和无崩塌体下的剪切力分布，增设崩塌体后，弯道顶冲点以下凹岸一侧的较大剪切力区位置均有所下移。崩塌体头尾部的剪切力突增，其临水面周围紊动强烈，尤其上下游端附近易形成较大剪切力区，增加了该区域河床的局部输沙能力，加快崩塌体的分解。但是可以发现在无崩塌体的地方剪切力分布大致相同。

图13　剪切力分布图

图14　水流剪切力对比图（Q=30 L/s）

图15　水流剪切力对比图（Q=55 L/s）

4.4弯道环流与剪切力对河床冲淤形态的影响为了分析崩岸土体在河床冲淤积形态特征，待实验结束后，将实验河段的水慢慢放干，对典型断面用挖槽的办法进行研究，用透明网格板量测岸坡泥沙淤积的部位及厚度分布，分别如图16、图17所示。

由图16和图17可见，弯道顶冲点（即）河床冲刷最严重，在凸岸可以看到淤积现象，再次说明岸坡冲刷后会被带到下游凸岸落於。沿程混合泥沙面积不断增加，但顺直段的河床冲刷不严重，主要是来自上游的泥沙淤积和来自崩塌体的泥沙的覆盖作用。靠近岸坡的河床并没有与崩塌土体发生明显混掺，与原始地形对比，只是厚度有所降低，顶部覆盖了一层崩岸土体。岸坡与河床冲淤交互作用印证了弯道水槽的输沙特性：一方面由于弯道环流，弯道表层较清的水流向凹岸，造成凹岸冲刷；从凹岸向下转向凸岸的底层流携带大量泥沙，造成凸岸淤积，这种作用致使主流不断向下游凹岸偏移；另一方面，坡脚处的剪切力较大，对于坡脚扰动较大，加快凹岸的冲刷。因此，弯曲河道的塌岸河段弯道环流和水流剪切力对河床冲淤形态特征具有极其重要的作用。

图16　河床冲淤形态特征

图17　岸坡与河床冲淤交互情况

5　结论

（1）弯道水槽实验表明，水流进入弯道后，水流三维特性明显，呈现凹岸水位高于凸岸水位的现象，在弯道顶端与弯道出口的中间位置水位差达到最大；不论是表层中层还是底层，近岸流速越大崩塌越严重，靠近岸坡附近水流结构紊乱，对岸坡坡脚扰动剧烈，主流岸近岸程度越大，流速越大，岸坡越容易崩塌失稳。（2）弯道水流剪切力分布特征表现为崩塌体头尾部的剪切力突增，形成较大剪切力区，尾部剪切力大于头部剪切力，尾部形成涡流，流速分布混乱，加快崩塌体的分解。崩塌体首尾较大剪切力区增加了该区域河床的局部输沙能力，加快崩塌体的分解，但在无崩塌体的地方剪切力分布大致相同。（3）河床冲淤形态主要由水流剪切力和弯道环流共同作用所致，坡脚处的剪切力较大，对于坡脚扰动较大，加快凹岸的冲刷，靠近凹岸坡脚的河床主要表现为水流冲刷与崩塌土体没有明显掺混；在凸岸河床上可观察到新淤土层，凸岸河床与崩塌土体的掺混现象，岸坡崩塌主要出现在弯道段，顺直段冲刷不明显。

诚然，崩岸问题影响因素众多，涉及过程复杂。本文主要通过弯道水槽概化模拟实验，得出的一些有关崩塌河岸弯道环流和水流剪切力及其对河床形态影响的初步性认识，成果尚有一定的局限性，有待于在实践应用中得到验证与完善。

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